超长寿命量子比特的研究进展

摘要

本综述系统评估了实现超长寿命量子比特的物理路线、退相干机理与抑制策略，比较了超导腔体、囚禁离子与各类固态缺陷的优势与工程折衷。文章整合了噪声谱学、纯度基准与材料/封装改进等表征手段，分析了实时估计、动态解耦与噪声工程等控制方法的适用性，并讨论了量子记忆在纠缠分发与中继器协议中的作用及相干时间对网络性能的影响。基于现有证据，提出了以诊断—材料—纠错协同为核心的路线图，强调跨层联合评估与AI辅助自适应纠错为未来实现可扩展、可重复化超长寿命量子比特的关键方向。

1. 引言：超长寿命量子比特的重要性与挑战

实现容错量子计算和构建大规模量子网络的核心技术瓶颈之一在于量子比特的相干时间（通常以 $T_1$ 与 $T_2$ 描述）。长寿命量子存储不仅直接决定了错误校正循环的频率和开销，还影响远程纠缠分发与量子中继节点的实际吞吐率，因此量子信息处理体系的可扩展性在很大程度上受限于可获得的存储时间。最近的实验工作表明，不同平台在相干时间与体系结构优势上存在极端差异：囚禁离子通过将信息编码在亚稳态能级中，实现了超过百秒级的相干保持并展示了对错误模型（例如可观测的擦除误差）友好的潜在架构优势 1；而在超导线路中，通过新的腔体与编码策略实现了数十毫秒量级的存储，能够保存大尺寸的猫态并为玻色子纠错编码提供实用的量子存储平台 2。

这些差异强调了“相干时间＝可扩展性的限速器”这一命题在理论与工程上的双重含义，并且对依赖短时存储的网络协议提出了严格需求（例如并行或序列化的纠缠分发方案会对量子记忆的寿命产生不同的性能约束） 3,4。

阻碍超长寿命实现的主要挑战既有通用性的问题，也有平台特异性的细节。一个横贯多种实现的难题是“速度—相干性”的权衡：通常为了屏蔽环境噪声和延长相干时间，需要将控制耦合减弱或引入保护性驱动，这往往以牺牲门速或可控性为代价；该困境在多数平台中被视为制约性能提升的根本原因，但也并非不可逾越——通过精细的材料与电荷-轨道工程、或者利用特殊的自旋轨道相互作用，已有工作展示了在某些器件设计下速度与相干性可以同步提升，从而打破传统权衡 5。

噪声来源的多样性进一步复杂化了长寿命设计：电荷噪声、经强磁场梯度转导为磁噪的低频成分、以及耦合辅比特或腔体所带来的误差通道都需要协同治理；对此，主动与被动的抑制策略（包括实时参数估计与动态脉冲、以及材料与电路的本征设计）已被证明能够显著提高单比特门保真度与相干性 6。另一个值得注意的发展是“噪声工程”思路，即并非单纯消除噪声，而是有选择地利用或重塑噪声谱以保护量子态，这一范式在半导体量子点中已被提出并通过数值分析显示了在某些噪声组合下降低退相干的可行性 7。在更接近系统层面的方案中，针对辅比特引入实时监测与反馈可以将其错误轨迹转化为可处理的擦除事件或直接恢复腔态相干，这对于实现长寿命玻色子比特尤为关键 8。在评估这些改进时还必须警惕基准指标的局限性：单一依赖于瞬时测得的 $T_1$、$T_2$ 可能无法反映长期运行中的时变噪声与环境敏感性，因此需要更健壮的度量体系以指导器件工程和跨平台比较 9。面向容错体系的前瞻性方向包括在电路层面通过对称化设计提升对高阶耗散的抵抗力（例如为Kerr‑cat量子比特提出的对称化SQUID结构可望将相干时间扩展至数十毫秒量级）以及将算法与机器学习相结合以实现自适应的误差诊断与QEC优化，但这些方案的实际效用仍依赖于对噪声动力学与热效应的更深入理解 10,11,12。

2. 量子比特退相干机制、理论与表征

量子比特的寿命受限于多尺度、多机制的退相干过程，其表现通常以能量弛豫时间 $T_1$ 与相干保持时间 $T_2$（或等价的弛豫率 $\Gamma_1=1/T_1$）为核心表征指标。宏观上，$T_1$ 退相干常由自发发射到传输线／谐振器（Purcell 效应）、近共振的材料缺陷（两能级系统，TLS）、以及超导器件中特有的非平衡准粒子（QP）引起；$T_2$ 则对低频谱密度噪声极为敏感，表现为频率漂移、遥测的 telegraph 噪声或驱动相关的相干误差。

多个实验与理论工作对这些机制进行了定量区分：通过谱分析和器件几何学的对比研究，可以将 TLS 与 QP 对 $\Gamma_1$ 的方差贡献分离出来，并指出小尺寸电极或小 footprint 器件比大尺寸器件更容易受 QP 和 TLS 的波动影响，这与 QP 扩散与局域耦合的理论框架一致 13。宇宙射线及其次级粒子作为突发性、时空相关的激发源，被实测为导致跨芯片相关失效的显著因子：同步探测研究直接将观测到的相关事件与入射宇宙射线对应起来，指出这类事件在样本中占比不可忽视并与超导能隙的局域分布有关，从而强调了辐射加固与能隙工程在宏观鲁棒性上的必要性 14。在诸多工作中，谐振器或驱动关联的 ancilla 噪声亦被证明能通过耦合传播并放大对目标逻辑体的去相干影响，因而主动监测并基于结果进行实时反馈成为延长相干时间的一条重要路径 8。

从理论层面出发，退相干既可被视为从量子到经典传输行为的渐变，也可在非平衡动力学框架下展现反直觉的相干增强效应。对于受马尔可夫热化驱动的有限维量子体系，量子相干作为初态资源能够在瞬态热化过程中提高参数估计的量子费舍信息（QFI），这提示非平衡瞬态既是损耗通道也是利用相干的机会，尤其在有限时间窗口内的最优测量策略可超越长期稳态性能 15。在拓展到空腔或机械存储体的体系中，通过工程化耦合将信息从容易耗散的超导比特转移到长寿命的机械振荡模式或受保护的 bosonic 子空间，已经实现了显著延长的能量寿命（例如纳米机械振荡器的 $T_1\sim25,$ms），同时时序化的 dynamical decoupling 操作可将相干时间从微秒级延长到毫秒量级，表明合适的体系设计与主动脉冲序列能在器件与材料限制之外提供实用增益 16。然而，这些基于耦合与瞬态利用的策略对实时控制精度、测量反冲与工程复杂度提出了更高要求；在 bosonic qubit 中，通过将 ancilla 的错误识别并转化为擦除错误，已被示范为有利于量子纠错平台的路径，但这依赖于快速、低延迟的测量与反馈回路 8。

表征方法的发展在理解退相干机制与指导抑制策略方面至关重要。

Purity benchmarking（PB）作为一种可同时量化相干误差与非相干误差的方法，在长时间尺度的监测中揭示了频率依赖的相干成分与普遍存在的宽带非相干背景，且敏感于单个强耦合缺陷引起的 telegraph 噪声，这为从传统 $T_1/T_2$ 测量无法捕捉的动态相互作用中抽取信息提供了工具 17。针对单次噪声通道的可逆化，Petz 恢复映射提供了近优的单次恢复方案，其在离子阱平台上的可实现性与资源估计已被具体化，指出對噪声通道先验信息的精确度以及 ancilla 和門數目限制是單次恢復誤差可控性的關鍵 18。与此同时，同步辐射探测与能隙分布测量使得对偶发并发事件的归因变得可能，进一步促使设计层面考虑辐射硬化与局域能隙工程 14。这些技术各有利弊：PB 要求长时间数据积累以分辨低频漂移，Petz 映射在现实噪声下对先验敏感，而实时 ancilla 监测与反馈虽然直接但对电子学延迟与测量反冲高度敏感 17,18,8。

在抑制策略与材料工程方面，既有被动的频域与幺正干涉方法，也有主动控制与材料替换的尝试。通过在芯片上实现干涉性 Purcell 过滤，可以在不增加额外阻抗不匹配的前提下在宽带上抑制共模向外线的能量泄露，從而在读出通道上兼顾快速读出與長壽命 19。多量子比特情景下的错位式 dynamical decoupling 被证明能同时抑制靜態與驅動產生的串扰，這對於保持可扩展线路的相干至关重要 20。材料方面，替换基底金属从铌到钽所形成的本征氧化层差异已被原子级表征，并与 TLS 损耗机制相关联：钽氧化层表现出更少的亚氧化物和更接近晶体的键合特性，这有助于抑制氢扩散并降低某些类型的 TLS 损耗，但仍可能存在由非晶结构内部畸变引发的局域态 21。此外，器件设计在陷阱体系中的电极几何影响径向谐波性、深度与功耗，从而间接影响陷阱态下的退相干与可扩展性考量 22。综上，当前证据支持一种协同路径：材料与界面工程减少基底与表面缺陷负担，被动电磁工程（如 Purcell 抑制）降低可控泄露，同时结合实时监测、快速反馈与适应性控制以应对随机突发事件与可变性；然而，在将这些策略统一为对抗跨尺度退相干的可扩展体系方面仍存在明显的工程与理论空白，特別是在将原子/固体尺度的缺陷统计学与整片芯片级别的突发事件概率学精确耦合的建模与测量链路上。

3. 延长量子比特寿命的关键策略

本章围绕延长量子比特寿命的多维应对路径展开论述，意在从方法论与实现层面搭建一条清晰的逻辑主线：先将普适性的相干性提升框架与评估原则予以梳理，以便识别可跨平台推广的工程与控制范式，再把视角收束到不同物理实现中具体的设计权衡与技术瓶颈。两者之间既呈现出因果与互补关系，也暴露出共同制约系统性能的关键因素，因此需要在材料、器件与控制三层之间进行协同考量。本章的论述将着重展示这些策略如何相互作用、在哪些条件下形成协同或冲突，并明确用于比较与选择的性能指标与可扩展性考量，为后续关于体系级整合与实用化路径的讨论奠定分析基础。

3.1 通用相干性增强策略

在追求超长寿命量子比特的通用方案中，本节以跨平台的工程与控制两条主线为脉络，勾勒从物质与器件层面到控制与噪声抑制的因果与互补关系。前者关注通过材料选择、界面与封装等多尺度工程手段减少静态与慢变的耗散通道，后者侧重通过精确建模、实时估计與混合控制策略来对付动态噪声与参数漂移。两者并非独立：器件的材料与封装特性限定了可用的控制带宽与测量效率，而控制方案的资源需求又反向影响器件设计与系统级集成。为此，本节在阐明各类方法学框架与典型设计权衡的同时，强调评估指标、可扩展性与跨层次协同的重要性，旨在为将材料创新与控制方法有效耦合以实现系统级相干性提升提供清晰的思路路线。

3.1.1 材料与器件工程优化

在超导量子比特平台上，异质集成与先进封装已经成为延长能量弛豫时间（T1）和抑制环境噪声的直接工程途径。通过多金属层互连与可重工的flip‑chip封装设计，可以在保持大规模互连能力的同时显著减少传统线键（wirebond）带来的寄生电感和串扰，从而控制微波路径的损耗并降低相邻通道间的耦合——具体实现包括多种微凸点材料（如Au、Sn、In及合金）以满足不同的翻转芯片配置与机械/电学需求，已在可互换的低温封装中实现对多达32条微波线路的互联且在室温下表现出低于30 dB的近邻串扰，低温初始器件测试亦显示T1 > 100 μs（Q > 2M）与平面化封装相当的性能，表明封装工艺本身并不必然牺牲单比特寿命，而是能为系统级互联与模块化扩展提供可行路径 23。然而，这类封装方案虽然在降低宏观电磁串扰和实现高密度互连方面具有明显优势，但对界面能源弛豫源（如界面态、互金属反应與应力诱导缺陷）的长期稳定性、在多次热循环后的复现性以及不同微凸点材料在低温下的超导/耗散行为尚缺乏系统化的长期研究；微凸点材料选择在优化电连接的同时也可能引入机械应力和局域材料相互作用，这些都会以微观缺陷的形式影响两能级系统（TLS）相关损耗，需通过更严格的材料-界面表征与寿命统计来评估其对超导量子比特相干性的净效应 23。

应变工程与固态自旋缺陷材料的调控提供了另一条可延长相干时间的技术路径。以在薄膜金刚石膜上引入均匀应变为例，通过受控晶体应力诱导轨道混合，使得原本难以进行微波操控的锡空位（SnV）中心获得高保真（99.36(9)%）的微波门控制，并且显著抑制温度相关的退相干过程，在常见的低温平台（约4 K）下将自旋相干时间提升到百微秒量级甚至超过毫秒尺度，同时不损害近乎寿命限定的光学线宽；这一结果表明，应变作为一种可工程化的自由度，既能开放新的驱动通道，又能通过改变振动耦合谱减弱热致退相干，从而在器件层面实现光学与微波互操作性的相干保护 24。尽管如此，将这种应变工程尺度化、在大面积器件或多单元阵列中保持应变均匀性，并且在与超导电路的封装与连线工艺兼容的前提下保证热机械稳定性，依然是工程上的挑战；此外，不同固态缺陷对应力场的敏感性各异，要求对具体缺陷态的能级结构与声子谱进行精细建模与实验验证 24。

在寻求更低在位宽与更长光学/核自旋相干性的材料方面，近年来对稀土掺杂体系的理论筛选与工艺优化提供了有力支持。针对Eu3+化合物的第一性原理筛选和DFT流程已经能够较可靠地再现已知相图并预测出可实现的候选材料，进而催生了空气稳定的双钙钛矿卤化物Cs2NaEuF6的合成，其高带隙与单同位素接近的局域环境有利于减小不均匀线宽扩展，因而为构建致密的光学可寻址量子存储体提供了新的材料基础 25。与此同时，对于电信波段的在芯片光量子存储，Er掺杂CeO2在通过分子束外延生长并辅以后生退火与贝叶斯优化过程改进晶体质量后已显示出吸收线宽收窄与吸收强度增强的趋势，说明工艺后处理与材料结晶性控制对实现长相干时间的稀土掺杂体系至关重要 26。这些工作共同指向一个重要结论：材料选择与精细的生长/后处理策略能够显著影响不均匀展宽与局域环境的同质性，从而为光学量子存储的相干性提供基础保障。然而，理论筛选在处理含4f电子的镧系化合物时仍面临精度与可转移性限制，实验上实现超窄不均匀线宽的化学空间稀缺，且如何将这些光学存储材料与超导器件或固态自旋接口通过异质集成可靠耦合而不引入新的损耗通道，仍需跨学科的界面工程研究 25,26。

综合来看，通过封装层面的异质集成减小电磁与互连损耗、通过应变与材料调控改善固态自旋缺陷的微波可控性以及通过理论筛选与工艺优化寻找到更优的稀土基量子存储材料，构成了延长量子比特寿命的多尺度工程路线。要把这些路线有效结合并推动器件级的相干性提升，未来工作需更深入地量化不同封装/互连材料和工艺对微观缺陷谱的影响，发展可重复的应变施加与表征方法，以及在系统级封装环境中验证稀土掺杂和固态缺陷体系的相干保持能力。 23,24,25,26

3.1.2 精准控制与主动噪声抑制

在追求超长寿命量子比特的控制策略中，实时参数估计与混合控制（hybrid control）构成了一条极具实践意义的路径。针对含自发辐射的ZZ耦合双比特体系，研究者通过两类控制方案——基于量子跃迁检测的反馈控制和将马尔可夫反馈与哈密顿控制相结合的混合控制——证明了在存在耗散通道时对耦合系数$J$的实时估计可以显著提升估计精度并延长系统的相干时间；进一步基于贝叶斯估计的自适应测量与批量式参数恢复方案提供了可操作的实现框架以验证这些控制策略的有效性 27。该工作的重要贡献在于将测量所得的实时信息闭环用于控制律调整，从而在统计上对抗由于自发辐射导致的参数漂移和可观测性退化；然而，其方法依赖于高效且低延迟的探测通道、精确的跳跃事件判定以及适配的贝叶斯滤波器，因而在测量效率有限或延迟显著的固态平台上面临实现瓶颈。此外，随着受控单元数量增加，实时贝叶斯更新与控制决策的计算负担呈现非平凡的可扩展性问题，这提示需要发展近似滤波、分布式估计或资源受限下的低复杂度反馈策略以实现多比特扩展。

与基于测量的反馈形成互补的是开环与变分式控制序列，如量子交替算符变分法（QAOA）序列，在制备并鉴定具有超长寿命特性的量子态——例如长寿命单重态（LLS）——时展示了显著鲁棒性。通过交替施加两类非对易哈密顿并优化控制参数，QAOA序列在两比特NMR实验中较传统方案表现出更高的制备效率与噪声下的稳健性，且数值结果表明该方法可扩展至更大体系的多频激励情形 28。将QAOA类变分序列与实时参数估计相结合能够实现一种自然的混合控制范式：实时估计负责追踪慢变或可测的噪声参数并更新变分参数的先验或实施局部调整，而QAOA等预先优化的序列提供对高频控制误差与系统内在相互作用的鲁棒制备路径。不同平台上的具体控制优化为这种混合策略提供了重要参考，负电荷硼空位中心在hBN中通过动态解耦技术将自旋相干时间延长两个量级、接近$T_1$极限，展示了对磁噪声的有效抑制并为高灵敏度测控奠定了实验基础 29；同样，针对GeV中心的工作通过在毫开尔文温区的相干控制并将噪声建模为Ornstein–Uhlenbeck过程，将相干时间提升至数十毫秒量级，表明对幅值与磁噪声的精细建模与控制参数优化可以极大地改善固态缺陷的量子记忆性能 30。尽管这些平台特异性的进展验证了动态解耦、噪声建模与脉冲优化在延长相干性方面的效力，但在将实时估计与变分/开环鲁棒序列无缝整合以应对同时存在的高频与低频噪声谱、以及在多比特网络中保持可扩展性方面，实验与理论上仍有明显空白，需要针对延迟、探测效率与计算复杂度进行系统性风险评估与硬件感知的控制-估计共同设计。

3.2 特定物理平台中的实现

本节以跨尺度视角审视实现超长相干时间的物理路线，强调不同实现途径在设计原则、材料约束与工程实现上的内在联系与权衡。

我们将从以电磁设计与封装为主的低参与度策略，过渡到以原子或准原子亚稳态编码为核心的长期存储方案，再到依赖材料与表面工程的固态缺陷与新兴杂化体系，贯穿其中的是相干性指标、可扩展性与光子/电子接口能力之间的张力。各子段既呈现出方法学上的互补性，也暴露出共同的瓶颈，如表面与界面损耗、自旋/磁噪声、谱弥散与封装一致性等问题。本节旨在通过对比分析这些平台的优势、局限及相互启发的策略，指出需要跨层次协同的关键技术路径，并为后续讨论可扩展体系与系统级整合提供判断依据。

3.2.1 超导量子比特

对延长超导量子比特相干时间的研究在过去数年呈现出从器件几何与电磁设计向材料与表面化学协同优化的明显演进。一类以腔体为中心的路线通过增大模体积和减少与有损介质的参与度显著降低能量耗散，从而实现毫秒及以上的量子存储：一项工作报告了基于新型超导腔的量子比特编码，其相干时间达到了34 ms，并用该长寿命腔保存了含1024光子的Schrödinger猫态，展示了腔体本身在实现大规模玻色子纠错方案中的潜力 2。与之互补的是将薄膜导体与3D封装相结合的混合结构，从而兼得体腔低参与度与器件材料可控性的做法；通过在3D封装中用介质支撑薄膜导体并将transmon与之耦合，研究者实现了单光子寿命超过毫秒的量子存储，表明在尺寸可控与材料可优选之间存在实用的折衷空间 31。然而，这些基于腔体或混合3D结构的突破并不自动解决所有耗散源：一方面更大的模体积需要更严格的封装与耦合控制以避免新的泄露通道，另一方面实现可规模化互连的工程挑战仍然存在，尤其是在保持同等材料纯度与低参与度条件下将多个长寿命腔模块集成至多比特体系时。

器件表面与界面上的两能级系统（TLS）仍然是限制超导量子比特寿命的关键材料因素，因此对表面氧化层与加工损伤的治理策略成为提升T1的直接途径。将原生金属氧化物通过原子层刻蚀（ALE）去除并立即原位以原子层沉积（ALD）覆膜的干法后处理，在铝薄膜器件中实现了约2倍的TLS相关损耗降低，并使得紧凑型transmon的中位数品质因子和能量弛豫时间分别达到约3.69×10^6和196±22 μs，且该改善可在几个月内保持稳定，说明表面缺陷密度的可逆性及其长期控制的可行性 32。另一种从根源上避免金属表面氧化的方法是用惰性贵金属封装活性超导金属，从而阻止原生氧化物形成；在钽基器件中，事先沉积数纳米厚的Au或AuPd可以完全抑制钽氧化物的生成，且在薄层条件下贵金属被近邻诱导为具有超过80%超导能隙的关联态，提示这种封装在消除侧壁氧化导致的TLS损耗方面极具前景 33。尽管贵金属封装和ALE/ALD各有长处——前者直接从化学稳定性上消除氧化源，后者可修复加工引入的表面损伤并形成受控封层——二者也存在权衡：贵金属的接近效应与界面超导性改变需要仔细评估其对非理想接合、接触阻抗及微波性质的影响，而ALE/ALD作为加工后步骤的可重复性与在复杂三维结构中实现的均匀性仍是工程挑战。

除了电磁和化学损耗之外，磁性杂质与自旋环境会在特定器件与偏置条件下主导退相干过程，一项工作在耐受特斯拉级磁场的granular铝纳结构fluxonium中观察到参数化的自旋-1/2缔合体作为主要损耗源，且通过主动态稳定序列可实现对长寿命TLS的极化，提示自旋相关机制在某些器件中既是损耗通道也是可利用的资源 34。从更基础的方向看，利用拓扑保护或受驱动预热态的非平衡拓扑序可能为应对局域扰动提供另一条思路，相关工作已在编排的超导量子比特阵列中展示出具有拓扑熵特征的长期序列响应，表明通过编码与动力学工程获得鲁棒性是可行的补充策略 35。综上，当前最有希望的路径并非单一手段，而是在大模体积/低参与度的腔体设计与可控的薄膜材料工艺（诸如ALE/ALD）以及针对侧壁与接口的全封装策略（如贵金属覆盖）之间寻求协同；未来研究需要在系统级可扩展性、封装工艺的一致性以及不同损耗机制在多腔多比特集成环境下的相对重要性上给出更定量的评估，以推动毫秒乃至更长相干时间的常规化实现。

3.2.2 囚禁离子量子比特

在囚禁离子体系中利用原子内亚稳态能级对量子信息进行编码，为实现超长相干时间提供了直接且可工程化的路径。亚稳态能级（例如在实验中使用的 $5D_{5/2}$ 级）由于其自发发射速率极低和与光子散射过程的天然隔离，使得量子态在没有频繁光学跃迁干扰的情况下得以长期保持；这一点在将量子态编码于亚稳态并辅以同种离子间的共形冷却与擦除错误监测时得到了实证，其示例实验在 $^{137}$Ba$^+$ 中实现了 $136(42),$s 的相干时间，并通过基于动力学去耦的噪声谱学模型指出，一旦擦除类误差被移除，亚稳态之间的相干退相干主要受去相干（dephasing）机制限制而非跃迁丢失 1。对这些结果的批判性解读应当注意到，尽管绝对相干时间显著延长，但实际网络或计算架构中仍须面对磁场噪声、激光泄漏与位移噪声等将相干性转化为相对短时退化的通道；因此亚稳态编码的优势并不自动转化为任意操作下的高保真长期存储，而是要求在冷却、噪声抑制与实时错误检测方面实现同步优化 1。

将亚稳态记忆与无串扰的通信子系统耦合，是构建远程量子中继节点的关键工程要求。最近基于两个囚禁 $^{40}$Ca$^+$ 离子的实验展示了通过将通信比特与记忆比特分别编码在同一物种的不同子空间，从而在尝试与电信光子建立纠缠时避免对记忆态的光子散射引起的串扰，并借助光子波长转换模块在 12 km 光纤中实现了带有预示信号的离子-光子纠缠，这一实现验证了亚稳态记忆作为无串扰节点核心的可行性 36。实现此类无串扰节点不仅依赖于态选择性编码，还依赖于高精度的激光冷却、高保真度的门操作以及陷阱本身的电场和光学可达性优化；在这一点上，针对表面电极陷阱的设计工作证明了可以通过调整电极几何、陷阱深度、稳定性参数与离子-表面距离来同时满足紧致约束、有效激光冷却与宽光学通道的需求，从而支撑高保真单量子比特控制与链分割操作 37。与此同时，可加速可扩展性发展的制造技术，如基于三维打印的微型离子阱，展示了快速原型和复杂电极结构实现的潜力，但这些新工艺在材料损耗、表面电学噪声与异常加热方面的影响仍需系统评估以免抵消亚稳态记忆的长期相干收益 38。综上所述，将亚稳态编码的长相干优势转化为网络级别的无串扰节点，要求跨层次的协同工程——从量子态选择、动态噪声抑制与实时擦除监测，到陷阱微结构的优化及制造工艺的材料学改进——以在维持超长相干时间的同时实现高保真控制和可扩展的光子接口 1,36,37,38.

3.2.3 固态量子比特（NV色心、自旋与谷态）

固态缺陷态与局域自旋提供了实现超长寿命量子存储的多条可行路径，其中氮空位（NV）色心因其室温可操作性与光学可读性而处于研究前沿。然而，实用化过程中面临的核心矛盾在于：为实现高灵敏度和良好耦合，往往需要将色心制备得极浅或以纳米钻石形式引入复杂环境，这同时放大了表面相关的电荷不稳定性与电子自旋退相干。针对这一矛盾，材料工程提出了切实可行的解决方案：通过设计芯—壳（core–shell）结构，能够显著抑制表面诱导的电荷波动与电子自旋去相干，从而将亚百纳米钻石中自旋量子比特的相干时间大幅延长，这一方向在生物成像和细胞内部传感的可投递纳米传感器背景下尤其有意义 39。尽管该策略在样品级别显示出“显著提升”，但其可重复制造性、在更浅埋深（<10 nm）处的效果以及在实用化设备中与微纳加工工艺兼容性仍需系统评估；此外，壳层材料的化学稳定性与长期表面化学演化对相干性的影响尚未被充分量化。

近表面NV色心的相干保护则更多依赖于表面工程与电磁/力学场的协同调控。基于第一性原理与实验验证的工作指出，表面诱导的应变场配合微弱直流磁场可以有效地调制近表面色心的自旋-声子耦合，尤其在12C富集的金刚石中可使深度约1 nm 的NV中心的自旋相干时间显著改善，并且对约10 nm 深度的天然金刚石样品同样受益，这为纳米尺度矢量磁强计提供了路径 40。该方法的优势在于不依赖大规模冷却即可在室温下缓解表面磁噪声，但其机制仍然具有多尺度复杂性：表面化学种类、缺陷谱分布与应变场在空间上的非均匀性可能导致不同样品间响应差异，因此需要更多关于不同表面终端化、催化处理与长期稳定性的系统实验来验证其普适性。此外，将这种应变与微弱磁场方案与芯—壳结构或等离子/光学腔耦合相结合，可能产生协同增强效应，但也会带来工艺复杂性与热管理的新挑战。

在工作温度范围上，NV色心显示出独特的延展性：通过快速加热与冷却并利用还原氧化石墨烯作为激光吸收与热耗散元件，实现了在极高温度（高达1400 K）下的相干控制，使得对高温磁性现象的量子感测成为可能 41。该方法拓展了量子传感的应用边界，但也暴露出若干实用局限：高温下自旋弛豫速率急剧增加，对控读时序与热循环耐久性提出更高要求，同时长期重复热循环对样品微结构与界面完整性的影响尚不明确。因此，尽管高温操作展示了材料与实验手段在极端条件下的可行性，其转化为稳健的技术平台仍需在器件耐久性、热管理和连续操作策略上做进一步工程化优化。

相比之下，其他固态体系在寿命尺度上显示出不同取舍：双层石墨烯中的谷态自由度呈现出极具吸引力的长弛豫时间，门控的双层石墨烯量子点中谷三重态与单态之间的弛豫时间已超过500 ms，明显长于自旋态的弛豫，且凭借Berry曲率可实现电学可控性，这使得以谷自由度编码的量子比特在减少常见自旋与轨道混合退相干通道方面具有天然优势 42。然而，这些结果主要量化了能量松弛（T1），关于相干时间（T2）、间谷散射源、边界与电荷陷阱对相干性的限制，以及在集成电路平台上的可控操纵与读出，还需系统研究。与此形成鲜明对照的是稀土离子体系，诸如Eu3+:Y2SiO5 的基态超细能级在特殊操作点（ZEFOZ）下已显示出以小时计甚至几十小时级别的相干时间，在低温条件下为光学量子存储提供了当前领先的时间尺度，但这类体系对低温、高纯度材料处理和对自旋杂质的严格抑制有着苛刻要求 43。因此，固态量子存储领域呈现出明显的权衡格局：以NV色心为代表的体系在温度与集成度上更具弹性，适合传感与网络节点等应用；以稀土离子为代表的体系在纯存储时长上具有无可比拟的优势，但牺牲了运行温度与工程复杂性；双层石墨烯的谷态则提供了一条可能兼顾电控性与较长寿命的中间路径。未来工作需要在实际应用驱动下将材料纯化、表面与壳层工程、应变场控制与低温长寿命记忆体之间建立可操作的接口，以实现既能本地快速操控又能远端长期存储的混合量子架构。

3.2.4 多样化固态与新兴量子比特平台

固态自旋量子比特向着可在电信波段无缝互联的方向发展，最近的工作清晰地展示了原子尺度的稀土掺杂体系通过底层生长与晶格对称性工程能够同时满足长光学与自旋相干性的苛刻要求。在一项基于外延薄膜的方法中，研究者利用高质量基体、可控的掺杂位点靠近表面距离以及晶格对称性保护，实现在两个不同晶格位点中分别获得千赫级的光学线宽与超过10 ms 的自旋相干时间，同时实现了光纤一体化包装下的单次测读与微波相干控制，这一结果直接响应了实现电信C波段自旋—光子接口以用于量子网络的核心需求，且表明自下而上的合成路线在可扩展性方面具有实用潜力 44。然而，该路线也暴露出若干工程与物理挑战：表面和界面附近掺杂子对谱弥散（spectral diffusion）与局域场波动的敏感性可能限制长期稳定性，而在实现同时间尺度的超长光学与自旋相干性方面不同位点的材料与工艺一致性仍需进一步验证，这些问题在后续集成与量子中继应用中不可忽视 44。

与稀土掺杂薄膜的低温高相干表现相对照，硅基“人工原子”为将量子发射体嵌入现有光子与电子微电子平台提供了直接路径，但自然的弱零声子线发射率构成了实际效率的瓶颈。通过腔增强可以显著提高零声子线的相对强度并维持高度纯净的单光子发射性质，尽管发射寿命未见统计学上的缩短，表明腔耦合主要改善收集效率而非根本改变發射通道；此外，材料中可能存在的多种G中心变体也提示了对发射体分类与可重复制备的需求，这是向大规模器件化过渡必须解决的问题 45。与此同时，以分子自旋为基础的方案则展示了向室温可操作性的直接路径：光激发的染料-自由基复合体在常温下已被证明可以进行相干操控并实测到约0.7 μs 的电子自旋相干时间，这一结果提供了在功能性分子器件中实现量子功能的实证基础，但其相干时间级别仍显著低于冷却下的固态稀土或硅中自旋，提示必须通过化学设计或周围磁环境工程来延长寿命以满足更苛刻的量子信息处理要求 46。

补充性的研究强调了材料内在与外加环境对相干性的双重作用。稀土离子掺杂晶体在极低温与适度磁场下能够实现分钟级的超精细基态寿命与毫秒级光学相干，这对时间复用和多频存储极为有利，但实验也揭示了谱弥散导致的有效相干性在数百秒尺度上降至微秒量级的现实，表明在实际量子中继协议中必须考虑长期频率漂移与噪声积累的影响 47。此外，外加电磁场作为一种可调控的外界手段被证明能在二维碳基系统中显著增强量子纠缠与相干性，且场的强度、频率及偏振（圆偏振优于线性或椭圆偏振）均对效果有决定性影响，这提示通过精细设计驱动场可以在一定程度上补偿热噪声或材料缺陷导致的退相干，但对应的实际实施需权衡热输运、场致损伤与器件复杂性 48。

综上可见，电信波段的固态自旋平台在实现超长相干性与可扩展互联方面展现出互补的路线：稀土与硅基体系在低温下提供了更长的内在相干时间与光子兼容性，而分子与场控制策略则指向室温可操作性与动态相干性增强的可能性。要将这些优势整合为实用的超长寿命量子比特技术，仍需在抑制谱弥散与表面/界面退相干、标准化发射体类型、以及在器件尺度上协调光学与自旋通道的同时追求可重复制造性方面取得实质性进展 44,45,46,47,48.

4. 量子记忆、纠缠持久性与量子网络应用

量子记忆在实现量子中继器与广域量子网络中的地位不仅是功能性的存储单元，更直接决定了纠缠分发的速率与终端保真度。对于实际可部署的 repeater 节点，便携性、操作温度与对现有通信协议的兼容性同样关键，这一点在对基于热蒸气的商业量子存储器的实验考察中被明确提出：对暖金属蒸气（Rb）量子存储器的系统性表征显示，器件的相干时间、绝对存储/检索效率、信噪比与误码率等指标必须置于与光通信协议相同的基准下评估，才能判断其在大规模网络中的实用性与扩展性 4。与之并行的是基于“预先创建的宏观量子相干性”的光学量子存储器构想，该方案通过在介质中诱导长寿命的宏观相干态来实现低量子噪声和可编程的按需检索，且对具有天然非均匀展宽的稀土掺杂晶体及采用拉曼跃迁的原子气体均具实现可行性，从物理上提供了一种在保持高保真度的同时缓和噪声-效率折衷的新途径 49。由此可见，不同存储本体（室温蒸气、冷原子/稀土离子晶体、混合光机构架）在实际网络部署时必须在相干时间与器件效率之间进行权衡；尤其当光纤损耗对端到端传输构成限制时，记忆的相干时间直接映射为可接受的中继间距与最终密钥率，这使得提升相干时间并保持高检索效率成为首要技术目标 4,49。

将相干时间延展为可用网络尺度的策略既包括在物质体系内延长自发退相干时间，也包括通过存储格式转换（光学—自旋波）与外部场工程来保护信息。如在稀土离子（Praseodymium）基的原子频率梳（AFC）方案中，通过将光激发映射到自旋波以实现自旋存储，实验显示在施加静磁场条件下可以从微秒级的光学存储扩展到数十微秒的自旋存储（示例中实现了 50 μs 的自旋-波存储），同时时提出了在磁场下制备AFC的要点以提高效率与存储时间的途径 50。另外，若以器件工程的角度审视记忆效率的提升，混合光-机械体系通过可控的光机械耦合（即通过类光学深度的有效概念）为在光学深度受限的材料中实现高效率存取提供了替代路线；这类架构强调对一阶与二阶相关函数的控制以兼顾相干性与量子统计特征，从而在实验可行的参数范围内实现可调记忆效率 51。在节点层面，高保真读出与长期存储的结合也至关重要：利用核自旋作为长寿命量子比特并辅以重复读出技术可同时满足高存取保真与长期保存的需求，为将来把本地长期存储与光子联网结合提供了可行样例 52。

在整个网络尺度上，有限的相干时间对纠缠分发协议的设计提出了严苛约束。针对异步、非理想化网络条件的研究提出了两类最小化协议：一种并行在链路层独立生成纠缠，另一种则以顺序方式从一端向另一端逐步扩展纠缠。分析表明，顺序方案在复杂度与性能之间呈现优越的折衷，同时引入“超时丢弃（cutoff）”策略可通过放弃长时间闲置的记忆尝试来排除低质量链路，从而在有限相干时间下显著提高端到端保真度与密钥率 3。将此类协议的结论与热蒸气存储器的性能指标对照，可以看出短相干时间但便携易用的器件在大规模网络中需要通过协议层面的超时策略与并行冗余来补偿，而长相干时间但设备复杂的体系则更适合作为关键中继节点的骨干 4,3。

对开放量子系统中纠缠与其他非经典关联的动力学理解对于设计延寿策略同样重要。理论与模型工作显示，纠缠寿命高度依赖于体系参数与初态：在多光子塔維斯–卡明模型及其非线性扩展中，初态与跃迁多重性可使某些 W 型或 GHZ-类态在高阶跃迁下表现出异常长的寿命与鲁棒性，而纠缠猝死（sudden death）现象对初始条件与热噪声敏感 53。在以 Jaynes–Cummings 型耦合描述的双谐腔体系中，适度的失谐、耦合不对称与偶极-偶极相互作用能创造出参数窗口，使得 Bell 型初态转化为长期稳定的纠缠态，这提示通过频率工程与局域相互作用设计可以获得长寿命的两比特纠缠 54。进一步地，关于量化动力学的研究指出通过调控系统的交换耦合、各向异性与 Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用，以及所谓的“分数时间动力学”参数，可以在生成快速而强的量子相关与维持相干性之间做出可控选择；较高的分数参数或较强耦合有助于延缓相干性丧失，但可能以牺牲相关生成速率为代价 55。热力学条件下，双比特-谐振子模型在超强耦合与深强耦合区域展现出对温度噪声的异常耐受性——在不同频率失谐下，体系可在光子挤压或比特-比特关联两个互补的稳态区域保持非经典资源，这为在有限温度条件下维持量子相关提供了理论依据 12。

在应对开放系统退相干时，耗散工程成为一条颇具吸引力的路径：通过将量子比特数组耦合到经驱动且非平衡的噪声源（例如被挤压的固态浴）并设计合适的系统-浴相互作用，可将目标纠缠作为稳态吸引子进行制备，实现长寿命的多体纠缠或自旋压缩，而这一思路特别适合与固态缺陷集成平台结合以获得工程化、持续的量子资源 56。然而，这些方法在从模型到实验的转化过程中面临若干挑战：理论上发现的长寿命窗口往往依赖于精确的参数调节与低噪声控制，实验中则需解决与电磁兼容、温度稳定性及与光纤链路的频率匹配问题，此外将耗散稳定化策略与高效率、低噪声的光学检索机制（尤其在稀土与热蒸气等不同物质平台之间）相耦合仍是未解决的工程难题。为此，未来研究应优先聚焦于实现高光学-量子效率与长自旋相干时间的协同优化、跨平台的频率转换与接口技术，以及在真实网络拓扑与异步协议约束下对纠缠寿命的量化评估，使存储器设计、协议裁决与耗散工程策略在网络层面达成实用的一致性 50,51,56。

5. 结论与展望

超长寿命量子比特研究在过去几年取得了方法论与工艺两条路线上的并行进展。基于长期观测的纯度基准（purity benchmarking, PB）工作通过对单一Xmon量子比特超过1110小时的连续测量，揭示了门控噪声的双重特性：在总体错误率中占主导的漫散性（incoherent）误差表现出对工作频率的弱依赖，而占比更小但对系统性能有重大影响的相干（coherent）误差则对频率变化和跳变噪声高度敏感，由此提出单个强耦合环境缺陷（以两能级系统TLS建模）作为相干误差变化的可能来源 17。该研究的价值在于表明纯度基准相较于常规的弛豫时间测量能捕获额外的动态信息，从而为区分误差成因提供了更细粒度的诊断手段；

在制备技术上推广能够实现全表面封装或侧壁钝化的可扩展工艺，同时评估封装对微波模态与约瑟夫森结性能的影响；在控制与纠错层面，开发能以实测误差特征为输入的AI辅助自适应纠错与脉冲校正方案，且在提出新型编码与优化目标时将实际硬件约束纳入评价范畴 17,33,11。跨平台融合，例如利用对自旋系统的可控极化与hybrid接口，既可作为探索微观缺陷的物理试剂，也可能成为降低特定耦合通道损耗的新途径，但这类混合方案必须解决超导电路与强磁场操作的相容性问题 34。

在方法学上，应当避免单一指标的盲目追求而转向多模态性能评价：将长期噪声谱、瞬态相干性、材料表征与纠错开销共同作为器件“寿命-可用性”评估准则，从而确保在工程化推进中既提升单比特的相干时间，也兼顾系统级可操作性与可扩展性。实现这一目标需要实验、材料与理论三方面的紧密协作，使得基于实测误差动力学的纠错与控制策略能够被快速验证并反馈至制造流程，最终在可重复的工艺下将实验室中的超长寿命记录推广到更大规模的量子处理单元。